| [싱가폴] 촉매 업그레이드: 더 값싸고 더 나은 재생가능 생물연료
요약: 생물유래의 기름들로부터 산소화된 화합물들을 제거하는 새로운 촉매가 더 싸고 더 나은 재생가능 생물연료(biofuels)로 이끌어줄지도 모른다. 가격과 환경적 우려가 늘어남과 함께, 원유 매장량이 점차 줄어들고 있어서 재생가능한 연료의 사용에 대한 관심이 늘어나게 되었다. 버려지는 농업 및 산림 물질들로부터 만들어지는 생물연료는 식량 작물의 생산으로부터 자원을 전환시키는 것을 피하기 때문에 특히 바람직하다.
생물 유래의 기름들로부터 산소화된 화합물들을 제거하는 새로운 촉매들이 더 싸고 더 나은 재생가능한 생물연료들로 이끌어줄지도 모른다.
가격과 환경적인 우려가 증가하고 원유의 저장량이 고갈되어감에 따라서, 재생가능한 연료의 사용에 대한 관심이 증가하게 되었다. 농업이나 산림 폐기물질들로부터 생산한 생물연료들은 특히 식량 작물의 생산으로부터 자원들을 변환시키는 것을 피하기 때문에 바람직하다. 그러나 이들 폐기 물질들의 고온 처리에 의해서 만들어진 기름은 높은 점도나 부식성과 같은 바람직하는 성질들의 원인이 되는 많은 양의 산소화된 화합물들을 포함한다.
이제 싱가포르에 있는 화학 및 공학 과학 A*STAR 연구소(A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences)의 Jie Chang, Armando Borgna와 동료들이 원하지 않는 산소를 포함하는 기능기들을 제거함으로써 이들 기름들을 개선하는데 사용될 수도 있는 일련의 촉매들을 기술했다. 화합물 과이어콜(guaiacol)을 산소화된 생물-유래 기름들을 위한 모델로 사용해서, 연구자들은 과이어콜 탈산소화를 위한 가장 전망 있는 촉매들이 탄소 지지대 위의 몰리브덴(molybdenum) 촉매로 구성된다는 것을 밝혔다.
폐기 생물량(biomass)의 원료의 다양성은 초기 열처리에 의해서 생산되는 생물-기름의 함량에서의 큰 변동성을 의미하는데, 그것 자체가 많은 연구의 대상이 되고 있다. 과이어콜은 단일의 쉽게 사용가능한 화합물에서, 전형적으로 제거할 필요가 있는 산소를 포함하는 여러 기능기들을 제공한다.
탈황화의 관련된 과정을 위한 촉매들은 더 깨끗한 연료를 생산하기 위해서 석유 정유소에서 널리 사용되지만, 탈산소화를 위해서 최적화되지 않았다. “탈황화 촉매들은 그것들의 작용 기전에 대한 대규모 연구 때문에 잘 개발되고 이해되었다. 우리는 탈산소화에 대해 비슷한 수준으로 이해하기 위해서 과이아콜을 모형으로 사용하고 있다”고 Chang이 말했다.
이 연구자들이 확인한 가장 좋은 촉매들은 과이아콜을 완전히 변화시키고 몇 분 안에 원하는 탄화수소 산물들로 80퍼센트 이상의 선택성을 보여주었다. Chang과 동료들은 그 촉매들이 비활성화되었을 때뿐만 아니라, 그 반응 전과 동안에 촉매들의 구조에 대한 세부적인 연구를 수행했다.
그들은 또한 반응 과정-특히 처음 반응하는 산소를 포함하는 기능기들의 종류와 이것이 그 촉매의 성능에 영향을 주는지-을 확인하려고 시도했다. 촉매 선택성이 중요하지만, 그 촉매의 활성과 안정성과 같은 다른 요인들도 전체적인 과정의 경제성에 대한 영향 때문에 똑같이 중요할 것이다. “이 완벽한 ‘생물량에서 연료로의’ 과정이 상업적이 되기 전에 갈 길이 멀다. 또한 우리는 그 선택성을 훨씬 더 개발해서 연료뿐만 아니라 정제 화학제품들을 개발하기 위해서 쓸모있게 되게 하기를 바란다”고 Chang은 말했다.
[출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 5월 14일]
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Catalytic upgrade: Better and cheaper renewable biofuels
New catalysts to remove oxygenated compounds from bio-derived oils may lead to better and cheaper renewable biofuels. Dwindling crude oil reserves, accompanied by rising prices and environmental concerns, have led to increased interest in the use of renewable fuels. Biofuels produced from waste agricultural or forestry material are particularly desirable because they avoid diverting resources from the production of food crops.
Oils produced by high-temperature treatment of these waste materials, however, contain a large amount of oxygenated compounds that result in undesirable properties such as high viscosity and corrosiveness.
Now, Jie Chang, Armando Borgna and co-workers from the A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences in Singapore describe a series of catalysts that might be used to upgrade these oils by removing the undesirable oxygen-containing functional groups1. Using the compound guaiacol as a model for oxygenated bio-derived oils, the researchers found that the most promising catalysts for guaiacol deoxygenation are composed of molybdenum metal on a carbon support.
The diversity of sources of waste biomass means that there is great variability in the content of the bio-oils produced by the initial heat treatment, which is itself the subject of much research. Guaiacol provides, in a single and easily available compound, the types of oxygen-containing functional groups that typically need to be removed.
Catalysts for the related process of desulfurization are widely used in petroleum refineries to produce cleaner fuels, but they are not optimized for deoxygenation. "The desulfurization catalysts are well developed and understood because of extensive research into the mechanisms by which they work," explains Chang. "We are using guaiacol as a model compound to develop a similar level of understanding for deoxygenation."
The best catalysts identified by the researchers show complete conversion of guaiacol and over 80 per cent selectivity to the desired hydrocarbon products within minutes.
Chang and co-workers undertook a detailed study of the structure of the catalysts before and during the reaction, as well as of the catalysts that were deactivated. They also attempted to identify the reaction process -- in particular, the types of oxygen-containing functional groups that react first and whether this affects the performance of the catalyst.
While catalyst selectivity is critical, other factors such as the activity and stability of the catalyst will prove equally important because of their impact on the economics of the overall process. "There is a long way to go before this complete 'biomass to fuel' process can become commercial," says Chang. "Also, we hope to develop the selectivity even further so that it becomes useful for developing fine chemicals as well as fuels."
The A*STAR-affiliated researchers contributing to this research are from the Institute of Chemical and Engineering Sciences
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